TransGraph

Transformation der Wertschöpfungskette im Graphitbergbau

Motivation

Graphit ist ein Schlüsselrohstoff für die Energiewende und wird unter anderem als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Fast 80 % der weltweiten Produktion stammen derzeit aus China. Deshalb stufen unter anderem die EU, die USA und Japan Graphit als kritischen Rohstoff ein. Um den steigenden Rohstoffbedarf zu decken, werden allein bis 2035 mindestens 97 neue Graphitbergwerke benötigt. Anders als bei vielen anderen Rohstoffen bestimmt beim Graphit nicht allein der Gehalt die Qualität, sondern vor allem Größe, Form, Kristallinität und Reinheit der Graphitflocken. Für die Herstellung von Anodengraphit eignen sich bislang nur große, hochreine Flocken. Gerade diese werden aber bei Gewinnung und Aufbereitung durch mechanische Beanspruchung häufig zerstört. Bisherige Arbeiten betrachten Lagerstätte, Gewinnung und Aufbereitung zudem weitgehend getrennt, obwohl sich diese Prozessschritte gegenseitig bedingen.

Ansatz

Zu Beginn des Projektes wird eine Probenbasis aus Graphitvorkommen in Deutschland, Österreich, Tschechien, Norwegen, der Ukraine und Brasilien aufgebaut. Die Erze und graphithaltigen Reststoffe werden geochemisch und mineralogisch charakterisiert, unter anderem mittels CT-basierter 3D-Analyse. Anschließend werden sie nach dem Klassifikationssystem der Vereinten Nationen (UNFC) bewertet. Darauf aufbauend wird untersucht, wie Gewinnungs-, Zerkleinerungs- und Separationsverfahren große Graphitflocken schonend freilegen und mit hoher Ausbeute und Reinheit gewinnen können. Dazu zählen ein sensorbasiertes Konzept zur In-situ-Analyse an der Abbaufront, verschiedene Zerkleinerungsaggregate, trockene Trennverfahren sowie die Flotation mit neuartigen Reagenziensystemen. Ergänzend werden Tailings und Nebenproduktströme auf verwertbare Industrieminerale und strategische Elemente wie Lithium und Vanadium untersucht. Im letzten Schritt werden die entwickelten Prozessketten technoökonomisch und ökologisch bewertet und in einer Technologieroadmap zusammengeführt.

TransGraph ist als internationale Nachwuchsgruppe an der RWTH Aachen University organisiert. Die Leitung liegt beim Lehr- und Forschungsgebiet Technologien zur Aufbereitung mineralischer Rohstoffe (AMR). Ein Postdoc und fünf Promovierende arbeiten dort gemeinsam entlang der gesamten Graphit Wertschöpfungskette, von der Lagerstätte bis zum fertigen Graphitkonzentrat. Die Forschenden klären zunächst, wie der Graphit im Gestein verteilt ist und welche Qualität er hat. Dann untersuchen sie, wie Abbau, Zerkleinerung und Trennung gestaltet sein müssen, damit die wertvollen großen Flocken möglichst unbeschädigt bleiben. Internationale Partner bringen dabei ihr Spezialwissen ein:

• die Satbayev University in Kasachstan für die Flotation,
• Prodecologia aus der Ukraine für die elektrostatische Trennung,
• die Universidade de São Paulo und das Instituto em Processamento Mineral (CIT SENAI) in Brasilien für Abbauverfahren, Analytik und den Abgleich mit der industriellen Praxis.

Auch Rückstände, die bislang ungenutzt deponiert werden, prüfen die Partner auf verwertbare Rohstoffe. Am Ende steht eine Roadmap, die zeigt, wie sich Graphitvorkommen wirtschaftlich, umweltverträglich und mit gesellschaftlicher Akzeptanz erschließen lassen. Das MRE bringt insbesondere seine Erfahrung in der CT-gestützten Charakterisierung von Graphiterzen sowie in der Bewertung von Lagerstätten und bergbaulichen Reststoffen ein.

Projektziele und Fragestellungen

• Untersuchung der Fragestellung, wie sich Graphitvorkommen und graphithaltige Reststoffe mithilfe einer CT-gestützten 3D-Charakterisierung qualitätsorientiert bewerten lassen.
• Entwicklung schonender Gewinnungs-, Zerkleinerungs- und Separationsstrategien, die große Graphitflocken erhalten und Ausbeute und Reinheit der Flockengraphitprodukte steigern.
• Erschließung von Nebenprodukten und Reststoffen für einen abfallarmen Graphitbergbau sowie ganzheitliche Bewertung der Prozessketten in einer Technologieroadmap.

Arbeitspakete

• AP 1: Projektmanagement und Kommunikation
• AP 2: Probenakquisition und Probenlogistik
• AP 3: Identifizierung und Bewertung von Graphitvorkommen
• AP 4: Innovative Charakterisierung von Graphitmineralisationen und Graphitprodukten
• AP 5: Gewinnungstechnologien und In-situ-Charakterisierung im Graphitbergbau
• AP 6: Zerkleinerungsstrategien und Freilegung von Flockengraphit
• AP 7: Separationsstrategien zur Gewinnung von Flockengraphit
• AP 8: Nebenprodukte und bergbauliche Reststoffe – Schritte zum Null-Abfall-Graphitbergbau
• AP 9: Ganzheitliche Bewertung der Graphitvorkommen im Kontext einer nachhaltigen Entwicklung
• AP 10: Roadmap zur Bewertung von Graphitvorkommen und Prozessketten